CN106087902A - 用于沟水处理的排水洞漩流竖井消能结构及排水方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水电站工程构造，尤其是一种用于沟水处理的排水洞漩流竖井消能结构。本发明提供了一种能消除高山峡谷地区布置一坡到底排水洞的弊端，且对于不同来流量均可在竖井内产生漩流消能的用于沟水处理的排水洞漩流竖井消能结构，包括高排水洞、侧收缩洞、漩流涡室、竖井、低排水洞和通气孔，侧收缩洞设置在高排水洞和漩流涡室之间，竖井的顶端与漩流涡室连通，竖井的底端与低排水洞连通，通气孔设置在漩流涡室的顶部，侧收缩洞具有一个倾斜收缩侧壁，倾斜收缩侧壁倾斜设置。不同流量的水流进入侧收缩洞后被侧向收缩，可保证不同水头、不同流量的来流量在进入漩流涡室后都具备起漩初始流速，能使水流在后续过程中能较好地消能。

Description

用于沟水处理的排水洞漩流竖井消能结构及排水方法

技术领域

本发明涉及一种水电站工程构造，尤其是一种针对高山峡谷地区支流沟谷，在排泄不同来流量的情况下的，用于沟水处理的排水洞漩流竖井消能结构。此外，本发明还涉及一种排水方法，尤其是一种针对高山峡谷地区支流沟谷的排水方法。

背景技术

在高山峡谷地区建筑水利水电工程时，由于工程区可利用的施工场地及少，而工程建设中有大量的弃渣需要堆存，还需布置各类施工工厂等临建设施，因此，常利用工程区附近的支流沟谷作为弃渣场和施工场地，高山峡谷地区的支流沟谷多为常年流水、切割较深且纵坡较大，一旦堆渣，必将沟谷全部截断，部分前期开挖的弃渣形成场地后，在渣场顶部布置后续施工所需的各类施工临建设施。受沟谷纵坡较大、堆渣容量要求及蓄水水位等因素影响，沟谷内布置的大部分临建设施及弃渣所形成的场地位于库水位以上(形成永久渣场)，因此，在此类沟谷利用前，需对沟谷进行沟水处理，此类沟水处理工程为永久工程，沟水处理方式多采用挡水坝+排水洞。

工程上一般采用一坡到底的排水洞，即出水口排出的水直接流入主河道中，排水洞进水口布置受沟谷利用范围和沟水处理挡水坝位置限制，进水口高程相对固定；排水洞出水口设置高程受排水洞纵坡和出口水位限制，在便于排水洞自身施工和检修的前提下，尽可能加大纵坡，以使排水洞出水口尽可能和下游河道水位衔接；如排水洞按满足施工要求的最大纵坡布置，排水洞出水口高程距下游河道高差仍较大时，一般常在出水口设置台阶消能设施。根据已实施工程运行情况看，采用以上布置方案的排水洞施工难度较大，洞线较长，出水口防护工程量大，出水口消能效果不好且运行期间需多次修复，另外，排水洞运行期间，排水洞出口水流对附近的道路和桥梁、临建设施及生产人员造成较大的安全隐患。

漩流竖井消能结构在水工永久泄洪洞中广泛采用，为地下式结构，但水工永久泄洪洞漩流竖井消能是在定水头、定流量单一工况下运行，而沟水处理排水洞需排泄不同的来流量，如在沟水处理排水洞中设置漩流竖井消能，就需解决不同来流量时，如何能在竖井内产生漩流消能的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种能消除高山峡谷地区布置一坡到底排水洞的弊端，且对于不同来流量均可在竖井内产生漩流消能的用于沟水处理的排水洞漩流竖井消能结构。

本发明解决其技术问题所采用的用于沟水处理的排水洞漩流竖井消能结构，包括高排水洞、侧收缩洞、漩流涡室、竖井、低排水洞和通气孔，所述侧收缩洞设置在高排水洞和漩流涡室之间，所述竖井的顶端与漩流涡室连通，所述竖井的底端与低排水洞连通，所述通气孔设置在漩流涡室的顶部，所述侧收缩洞具有一个倾斜收缩侧壁，所述倾斜收缩侧壁倾斜设置，倾斜收缩侧壁的底部与洞轴线的距离比倾斜收缩侧壁的顶部与洞轴线的距离小，并且倾斜收缩侧壁从与高排水洞连接的一端开始与洞轴线的距离逐渐变小，在所述倾斜收缩侧壁的内壁上设置多条沿着倾斜收缩侧壁长度方向延伸的阶梯，每条阶梯的外转角处设置有沿着倾斜收缩侧壁长度方向延伸的凸出体，凸出体沿水平方向或者沿向上倾斜的方向凸出于阶梯的外转角。

进一步的是，在所述竖井的底端设置有与竖井连通的消力井，所述消力井位于低排水洞之下。

进一步的是，所述低排水洞的出口高程设置在主河道汛期高水位和常水位之间。

进一步的是，多条所述阶梯连续设置。

进一步的是，阶梯的外转角为直角或圆角。

进一步的是，阶梯与阶梯之间的连接角为直角或圆角。

进一步的是，在漩流涡室与竖井之间设置有涡室渐变段，涡室渐变段为上部开口大、下部开口小的喇叭形。

本发明另一个要解决的技术问题是：提供一种能消除高山峡谷地区布置一坡到底排水洞的弊端，解决不同来流量都具备漩流消能的用于沟水处理的排水方法。

本发明提供的用于沟水处理的排水方法，采用上述的用于沟水处理的排水洞漩流竖井消能结构；

在高排水洞泄流时，排水途径为水流由高排水洞流经侧收缩洞后，水流被侧向收缩，使水流在进入漩流涡室时具备起漩初始流速；

然后水流流入漩流涡室并起漩，起漩后，水流经过竖井完成空中消能，最后由低排水洞排入主河道。

进一步的是，水流流入漩流涡室并起漩后，水流经过涡室渐变段、竖井完成空中消能，再进入消力井进行二次消能，最后由低排水洞排入主河道。

本发明的有益效果是：不同流量的水流进入侧收缩洞后，水流被侧向收缩，小流量被收缩的幅度大，相反，大流量被收缩的幅度小，可保证不同水头、不同流量的来流量在进入漩流涡室后都具备起漩初始流速，能使水流在后续过程中能较好地消能；对于不同河道布置的排水洞，经过调整侧收缩洞，可以较好地将水流收缩；沟水处理排水洞采用设置漩流竖井消能结构后，消能效果较好，排水洞纵坡不必设置过陡，便于施工；低排水洞解决了常规排水洞出水口台阶消能结构常被冲毁、对出水口附近或下方的道路和桥梁、临建设施及生产人员造成的安全隐患，洞线较短，出口不必防护，消能效果好，节省工程投资效果显著。

附图说明

图1是本发明的剖面图；

图2是本发明的俯视图；

图3是图2的A-A向剖视图；

图4是图2的B-B向剖视图；

图5是本发明涉及的侧收缩洞的一个实施例的剖视图；

图中零部件、部位及编号：洞轴线100、高排水洞1、侧收缩洞2、倾斜收缩侧壁21、阶梯211、外转角212、凸出体213、连接角214、漩流涡室3、竖井4、低排水洞5、通气孔6、消力井7、涡室渐变段8。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，图中箭头方向为水流方向。

如图1至图5所示，本发明的用于沟水处理的排水洞漩流竖井消能结构包括高排水洞1、侧收缩洞2、漩流涡室3、竖井4、低排水洞5和通气孔6，所述侧收缩洞2设置在高排水洞1和漩流涡室3之间，所述竖井4的顶端与漩流涡室3连通，所述竖井4的底端与低排水洞5连通，所述通气孔6设置在漩流涡室3的顶部，所述侧收缩洞2具有一个倾斜收缩侧壁21，所述倾斜收缩侧壁21倾斜设置，倾斜收缩侧壁21的底部与洞轴线100的距离比倾斜收缩侧壁21的顶部与洞轴线100的距离小，并且倾斜收缩侧壁21从与高排水洞1连接的一端开始与洞轴线100的距离逐渐变小，在所述倾斜收缩侧壁21的内壁上设置多条沿着倾斜收缩侧壁21长度方向延伸的阶梯211，每条阶梯211的外转角212处设置有沿着倾斜收缩侧壁21长度方向延伸的凸出体213，凸出体213沿水平方向或者沿向上倾斜的方向凸出于阶梯211的外转角212。其中，阶梯211的作用是对不同来流量进行侧向收缩、束窄水流，同时便于施工，凸出体213的作用是对侧向收缩、束窄水流的水面进行压波，防止水流产生波浪。整个倾斜收缩侧壁21形成一个在纵向上底部向排水洞内侧倾斜，在横向上靠近漩流涡室的一端向排水洞内侧倾斜的侧壁结构，即倾斜收缩侧壁21从靠近高排水洞1的一端开始，逐渐向排水洞洞内收缩，这种结构的侧壁使整个侧收缩洞2的横截面积逐渐变小，进入侧收缩洞2的水流会被侧向收缩，小流量被收缩的幅度大，大流量被收缩的幅度小。对于不同河道布置的排水洞，经过调整倾斜收缩侧壁21内阶梯211的间距、尺寸、凸出体213的倾斜角度等，可使达到上游来的水流进入漩流涡室3时，都具备起漩初始流速，进而在漩流涡室3起漩后，水流经过竖井4能较好地完成空中消能，最后由低排水洞5排入主河道。

具体，凸出体213可以如图4所示，沿水平方向凸出于阶梯211的外转角212，也可以如图5所示，沿向上倾斜的方向凸出于阶梯211的外转角212，凸出体213与水平方向的夹角范围优选在0°～45°之间。阶梯211之间可以如图4和图5所示连续布置，也可以根据需要间隔设置。阶梯211的外转角212可以为直角也可以为圆角，阶梯与阶梯之间连接处形成的连接角214可以为圆角或者直角。阶梯211的横截面的外侧轮廓可以由曲线构成，也可以如图4和图5所示由直线构成。

与传统的定水头、定流量的泄洪洞漩流竖井消能结构不同，本发明的排水洞漩流竖井消能结构采用侧收缩洞2结构后，上游来流量不同时，经过侧收缩洞2后，水流被侧向收缩，流量不同侧收缩幅度也不同，可保证不同水头、不同流量的来流量在进入漩流涡室3后都具备起漩初始流速，使水流能较好地将水流消能，因此排水洞纵坡不必设置过陡，便于施工；并且低排水洞5解决了常规排水洞出水口台阶消能结构常被冲毁、对出水口附近或下方的道路和桥梁、临建设施及生产人员造成的安全隐患，洞线较短，出口不必防护，节省工程投资效果显著。

具体，为了更好地消能，避免竖井4和低排水洞5被冲坏，如图1所示，在竖井4的底端设置有与竖井4连通的消力井7，所述消力井7位于低排水洞5之下。

具体的，所述低排水洞5的出口高程设置在主河道汛期高水位和常水位之间。

具体，为了更好地消能，如图1所示，在漩流涡室3与竖井4之间设置有涡室渐变段8，涡室渐变段8为上部开口大、下部开口小的喇叭形。涡室渐变段8能使水流保持进入涡室内起漩后的合成流速和对洞壁的压力，以免水流脱壁。

上述结构可以采用以下方式施工：高排水洞1、低排水洞5均采用常规方法开挖、衬砌；侧收缩洞2为异型结构，需采用控制爆破开挖，采用拼装模板立模衬砌；漩流涡室3、涡室渐变段8、竖井4、通气孔6采用天井钻机开挖导井，后自上而下扩挖的方式开挖，漩流涡室3、涡室渐变段8、竖井4的混凝土经高排水洞1进料，由受料斗和真空溜管入仓，滑模浇筑。

本发明的用于沟水处理的排水方法，

采用如上所述的用于沟水处理的排水洞漩流竖井消能结构；

在高排水洞1泄流时，排水途径为水流由高排水洞1流经侧收缩洞2后，水流被侧向收缩，使水流在进入漩流涡室3时具备起漩初始流速；

然后水流流入漩流涡室3并起漩，起漩后，水流经过竖井4完成空中消能，最后由低排水洞5排入主河道。

具体，若用于沟水处理的排水洞漩流竖井消能结构中具备涡室渐变段8和消力井7，则

水流流入漩流涡室3并起漩后，水流经过涡室渐变段8、竖井4完成空中消能，再进入消力井7进行二次消能，最后由低排水洞5排入主河道。

对于排泄天然河道来流量，其汛期和枯期差别很大，在高排水洞1泄流时，在不同流量的水流进入侧收缩洞2后，水流被侧向收缩，小流量被收缩的幅度大，相反，大流量被收缩的幅度小，对于不同河道布置的漩流竖井消能排水洞，经过调整阶梯211结构及布置方式，使达到上游来的水流进入漩流涡室3时，都具备起漩初始流速，在漩流涡室3起漩后，水流经过涡室渐变段8、竖井4完成空中消能，再进入消力井7进行二次消能，最后由低排水洞5排入主河道。

Claims (9)

1.用于沟水处理的排水洞漩流竖井消能结构，其特征在于：

包括高排水洞(1)、侧收缩洞(2)、漩流涡室(3)、竖井(4)、低排水洞(5)和通气孔(6)，所述侧收缩洞(2)设置在高排水洞(1)和漩流涡室(3)之间，所述竖井(4)的顶端与漩流涡室(3)连通，所述竖井(4)的底端与低排水洞(5)连通，所述通气孔(6)设置在漩流涡室(3)的顶部，

所述侧收缩洞(2)具有一个倾斜收缩侧壁(21)，所述倾斜收缩侧壁(21)倾斜设置，倾斜收缩侧壁(21)的底部与洞轴线(100)的距离比倾斜收缩侧壁(21)的顶部与洞轴线(100)的距离小，并且倾斜收缩侧壁(21)从与高排水洞(1)连接的一端开始与洞轴线(100)的距离逐渐变小，

在所述倾斜收缩侧壁(21)的内壁上设置多条沿着倾斜收缩侧壁(21)长度方向延伸的阶梯(211)，每条阶梯(211)的外转角(212)处设置有沿着倾斜收缩侧壁(21)长度方向延伸的凸出体(213)，凸出体(213)沿水平方向或者沿向上倾斜的方向凸出于阶梯(211)的外转角(212)。

2.根据权利要求1所述的用于沟水处理的排水洞漩流竖井消能结构，其特征在于：

在所述竖井(4)的底端设置有与竖井(4)连通的消力井(7)，所述消力井(7)位于低排水洞(5)之下。

3.根据权利要求1所述的用于沟水处理的排水洞漩流竖井消能结构，其特征在于：

所述低排水洞(5)的出口高程设置在主河道汛期高水位和常水位之间。

4.根据权利要求1所述的用于沟水处理的排水洞漩流竖井消能结构，其特征在于：

多条所述阶梯(211)连续设置。

5.根据权利要求4所述的用于沟水处理的排水洞漩流竖井消能结构，其特征在于：

阶梯(211)的外转角(212)为直角或圆角。

6.根据权利要求5所述的用于沟水处理的排水洞漩流竖井消能结构，其特征在于：

阶梯(211)与阶梯(211)之间的连接角(214)为直角或圆角。

7.根据权利要求1所述的用于沟水处理的排水洞漩流竖井消能结构，其特征在于：

在漩流涡室(3)与竖井(4)之间设置有涡室渐变段(8)，涡室渐变段(8)为上部开口大、下部开口小的喇叭形。

8.用于沟水处理的排水方法，其特征在于：

采用如权利要求1至7中任一权利要求所述的用于沟水处理的排水洞漩流竖井消能结构；

在高排水洞(1)泄流时，排水途径为水流由高排水洞(1)流经侧收缩洞(2)后，水流被侧向收缩，使水流在进入漩流涡室(3)时具备起漩初始流速；

然后水流流入漩流涡室(3)并起漩，起漩后，水流经过竖井(4)完成空中消能，最后由低排水洞(5)排入主河道。

9.根据权利要求8所述的用于沟水处理的排水方法，其特征在于：

水流流入漩流涡室(3)并起漩后，水流经过涡室渐变段(8)、竖井(4)完成空中消能，再进入消力井(7)进行二次消能，最后由低排水洞(5)排入主河道。